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MITICA e il Consorzio RFX di Padova

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di Tiziano Vio, 5C Scientifico ‘G. Bruno’

Una delle questioni più problematiche che il mondo contemporaneo deve affrontare è senza dubbio l’approvvigionamento energetico: più dell’80% dell’energia consumata nel mondo, infatti, viene prodotta a partire da combustibili fossili (carbone, petrolio o gas naturale), proprio come accadeva oltre mezzo secolo fa.

Le fonti rinnovabili (con l’eccezione dell’idroelettrico, che però non può essere sufficiente) su larga scala risultano non essersi diffuse, a causa delle molte limitazioni che pongono. Per fare un esempio, per sostituire una normale centrale termoelettrica con dei pannelli fotovoltaici occorrerebbe ricoprire con questi ultimi un’area ampia come una città di medie dimensioni.

In che modo possiamo allora diminuire la nostra pericolosa dipendenza dai combustibili fossili? La risposta potrebbe consistere nell’imitare i processi che avvengono costantemente all’interno delle stelle, ossia sfruttando una reazione di fusione nucleare.

 

Moltissimi centri di ricerca in tutto il mondo sono al lavoro su questo tema, e uno di essi è vicinissimo a questo istituto: si trova infatti a Padova, ed è lì che il 29 gennaio si sono recate le classi 5A e 5C della sede Bruno, accompagnate dai loro insegnanti di Fisica.

Presso i laboratori del Consorzio RFX (al quale partecipano, tra gli altri, INFN e CNR) ci è stato dunque possibile apprendere delle nozioni teoriche sul processo di fusione e sulle ricerche in corso relative alla sua applicazione, per poi avere l’opportunità di visitare la struttura e osservare i dispositivi in fase di studio.

La reazione di fusione nucleare che verrà utilizzata è la seguente: da due nuclei di deuterio e trizio (degli isotopi dell’idrogeno con rispettivamente uno e due neutroni) si arriva ad ottenere un nucleo di elio e un neutrone, con liberazione di energia.

Affinché la reazione avvenga, la miscela dei reagenti deve essere però portata alla temperatura di 150 milioni di gradi Kelvin, ossia allo stato di plasma (un insieme di nuclei ed elettroni liberi che si muovono liberamente nello spazio): in queste condizioni, l’energia dei nuclei è sufficientemente elevata da superare la repulsione dovuta alla forza coulombiana.

Collidendo, deuterio e trizio si fondono per dare origine ad un nucleo di elio, un neutrone e molta energia: la massa dei prodotti, infatti, risulta inferiore di 0.027 * 10^(-27) Kg alla massa dei reagenti, e questo apparentemente insignificante difetto di massa dà origine ad una emissione di energia in proporzione enorme – come risulta dalla teoria della relatività ristretta di Einstein – secondo la notissima equazione E=mc2.

Le quantità in gioco sono impressionanti: un solo chilogrammo di idrogeno reagendo libera un’energia pari a quella ottenuta dalla combustione di 10^7 Kg di carbone, e nelle centrali in progetto essa verrà utilizzata per produrre il vapore in grado di muovere le turbine.

Il cuore del laboratorio di Padova, centro nel quale non si effettuano ricerche sulla reazione di fusione vera e propria, è costituito dall’apparato in cui vengono studiati il confinamento e il monitoraggio del plasma.

Esso ha lo stesso aspetto che avranno i futuri reattori: una sorta di grande ciambella (il termine specifico è “toro”) di raggio 2 m, circondata da un gran numero di elettromagneti di varie forme (per quanto al momento della nostra visita il toro, essendo in fase di modifica, fosse in realtà situato nello spazio dedicato alla manutenzione).

Quando la macchina è in funzione, le particelle cariche che compongono il plasma si muovono a velocità elevatissime, dando luogo ad una corrente fino a 2 MA: a mantenerle nella loro traiettoria ad elica sono i campi magnetici toroidali e poloidali, mentre una rete di sensori controlla tutti i parametri, elaborando automaticamente una risposta (ad esempio, intervenendo su dei magneti) in caso di variazioni. Una criticità è data dalla frazione di plasma che sfugge al confinamento: le anomalie che ne deriverebbero vengono risolte grazie ad un dispositivo detto divertore, che convoglia le particelle verso una determinata area, particolarmente resistente e dotata di uno specifico sistema di raffreddamento.

Tramite la rete di rivelatori viene anche effettuata una tomografia, ossia una mappatura precisa delle aree dove il plasma è ad una data temperatura.

Sorge però spontanea una domanda: in che modo lo si è potuto portare ai quasi inimmaginabili 150 milioni di gradi?

Innanzitutto, alcuni elettromagneti sono alimentati in modo tale da generare un campo variabile, inducendo quindi una corrente elettrica nel plasma e aumentando l’energia cinetica delle particelle che lo compongono: si incrementano così le collisioni, e di conseguenza la temperatura.

Questo processo, noto come riscaldamento ohmico, non risulta però sufficiente, e va integrato con altri due sistemi.

Il primo è il riscaldamento tramite onde elettromagnetiche (riscaldamento a radiofrequenza) – che agisce pressappoco come se il reattore fosse un enorme forno a microonde -, mentre il secondo è il sistema di iniezione di neutri, l’altro aspetto su cui si focalizzano le ricerche dei laboratori; a Padova sono infatti in sviluppo i prototipi SPIDER e MITICA, che abbiamo avuto modo di osservare nell’edificio a loro dedicato.

Nel riscaldamento tramite iniezione di neutri, un fascio di ioni negativi di deuterio lascia la sorgente ed entra in un acceleratore elettrostatico (in questo caso, con differenza di potenziale complessiva pari ad 1 MV); in seguito, gli ioni accelerati attraversano un particolare apparato – detto neutralizzatore – che li trasforma in particelle neutre.

Ecco quindi che il fascio da 16,7 MW, ora in grado di attraversare i campi magnetici, viene a contatto con il plasma: gli atomi di deuterio collidono con le particelle già presenti, per poi perdere i loro elettroni, divenendo nuclei e venendo accelerati anch’essi.

Ora, MITICA è un prototipo in scala 1:1 di uno degli iniettori di neutri che saranno utilizzati nella prima centrale a fusione nucleare del mondo. Stiamo parlando dell’impianto pilota che un insieme di 35 nazioni, riunite nel progetto ITER, sta attualmente costruendo a Cadarache, nel sud della Francia: i lavori sono iniziati 7 anni fa, e secondo i progetti dovrebbero concludersi verso il 2025.

Il reattore di ITER, che dovrebbe divenire pienamente operativo nel 2035, sarebbe il primo reattore a fusione in grado di soddisfare le condizioni previste dal criterio di Lawson, ossia capace di ottenere una reazione capace di autosostenersi.

In altre parole, la reazione libererebbe un’energia superiore rispetto a quella utilizzata per farla avvenire, nello specifico con un rapporto di circa 10:1.

Il raggiungimento di tale traguardo, chiaramente fondamentale per poter produrre energia elettrica tramite impianti di questo tipo, risulterebbe di enorme importanza, e mostrerebbe come la fusione nucleare abbia le potenzialità per diventare la fonte di energia principale.

Con tale processo verrebbe prodotta energia “pulita”, non essendovi né emissioni inquinanti né complesse problematiche legate a scorie radioattive con emivita molto lunga, e si eviterebbero gli svantaggi propri delle fonti rinnovabili come l’energia solare.

Inoltre, ricavare i reagenti non presenta particolari difficoltà, in quanto il deuterio si trova in natura, il trizio si può ottenere dal litio e secondo le stime effettuate non vi sarebbero rischi di esaurimento per venti milioni di anni: per tali ragioni, la fusione nucleare sembra davvero essere l’alternativa più promettente alle attuali fonti energetiche.

In aggiunta all’analisi dell’esperienza, trovo infine opportuno sottolineare come l’uscita possa essersi rivelata utile anche sotto un altro aspetto, quello dell’orientamento in uscita.

Numerosi studenti, una volta giunti all’ultimo anno, infatti, sono ancora indecisi sulla facoltà universitaria da frequentare, magari anche a causa delle apparenti scarse prospettive offerte da alcuni corsi in ambito scientifico.

Visitare i laboratori di Padova, in cui lavorano molti fisici ed ingegneri, per alcuni potrebbe avere costituito uno stimolo a non escludere alcune opzioni a cui prima si dava meno considerazione, mentre altri potrebbero essere ora più determinati nel proseguire lungo la strada scelta, sia essa più o meno ambiziosa.

Un ringraziamento finale va a Pietro Casarin di 5A, per i suggerimenti forniti prima e durante la stesura dell’articolo, e al prof. Sergio Boschin.

 

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